A generic 3D finite element model of tree anchorage integrating soil mechanics and

real root system architecture

利用三維有限元素分析模擬根的錨定力結合土壤力學及根系結構

指導老師 : 鄭皆達 79842032 許涵硯

前言 1. 近年來因全球暖化導致暴風雨的增加，使得根系對於

土壤錨定力是近年來主要的課題。

2. 前人研究中多著重於植物的現地拉拔與生態調查，較缺乏數值模擬，所以此研究利用 FEM(FINITE ELEMENT MODEL) 來模擬根系之錨定力，並採取現地根系資料與土壤參數以達到與現地相同的狀況，以減少生態的破壞及昂貴的現地實驗。

3. 利用 FEM 來模擬拉拔力，可將不同根型放入不同的土壤環境中。

1. 此研究中將兩種植物利用側拉的方式，來模擬風載重對於樹所造成之影響。

2. 影響拉拔力的因素 :根的結構，土壤的物理特性及力學特性。

3. 在研究土壤對於頃倒模擬中，純砂質土迎風面的土體呈現永久破壞的狀況，而純粘土中則較為對稱。

4. 根系之拉拔力在粘土中高於砂質土。 5. 土壤含水量很高時，剪應力與土根之間的連結力會下

降許多，易被風破壞也易被拔出，反之，含水量低的土壤剪應力與土根之間的連結力較強，卻會造成樹幹會斷裂。

摘要

1. 植物與地點 植物 :Populus trichocarpa( 楊毛果 )

Populus deltoides( 美州黑楊 )

地點特性 : 位於西南法，種植密度為一公頃 200 棵 海拔 37m ，年雨量 820mm ，此地盛行西南風， 風速 4.5m/s ，黏質性砂土 (69% sand 、 21% 黏

土、 10% 壤土 ) ，地下水位 1.2 m 。

當地土壤經過五天 105c 烘乾得 : 土壤含水量 21.7±1.4%( 美州黑楊 ) ， 21.7±0.9%( 楊毛果 )

研究方法

2. 根系 :將被風影響之樹幹 (5% 傾斜 ) 挖出來後，量取主跟、側根( 長度、側根角度、側根與主根之方位角、根徑 )再將量出來的數值放入 ARCHIROOT 中以及使用 AMAP MT

G產生 3d 影像。

楊毛果

美州黑楊

3. 模擬模型 :(1) 輸入 Abaqus 之參數

(2) 網格大小及敏感度分析 四種 :256 、 720 、 1372 、 2976 元素

(3) 材料敏感度分析 : 利用 來分析土壤 (c、、 )

及根力學因子。

結果

楊毛果的抗拉拔力平均為 8.75kN ，而美州黑楊平均為 13.5kN

Clay

Sand

現地實驗Clay

Sand

現地實驗

根系楊毛果 :主根長 1.11m、直徑 0.31m、平均值為 32.0±0.02

mm

115根根數、總根長 94m、總根體積 0.12m3

美州黑楊 :主根長 0.95m、直徑 0.34m、平均值為 55±0.04mm

82根根數、總根長 82m、總根體積 0.21m3

網格 O: 楊毛果

X: 美州黑楊

--: 網格與 cpu 之關係

windwind

迎風面應變量較大

迎風面根系比較接近地面減少土壤壓力。

Clay wind

Clay 土壤中模擬後之位移場

wind

Sand 永久變形

sand 土壤中模擬後之位移場

0.5 0.27

0.26 敏感度極小不影響

敏感度

結論

• 美州黑楊抗拉拔力較楊毛果高 30% ，原因在於有較大側根，雖然楊毛果有較多小的側根和根數，所以沒有較大的錨定強度。

• 在現地實驗和數值模擬中影響拉拔抗力的主要原因為 : 較高的根體積、多數的大的側根。

• 從這次模擬中，雖然根的結構為構成錨定力之主要因素，然而我們可以發現土壤中的 c值 ( 凝聚力 ) 也是個重要的影響因子。

• 模擬中，將根的強度變換只影響了些微抗傾倒力。

The end